沃溪坑口深井開采支護工藝優化與實踐

程 勃 徐家慶 覃 健3

（1.湖南辰州礦業有限責任公司；2.中南大學資源與安全工程學院）

沃溪坑口是湖南辰州礦業有限責任公司的核心礦產資源基地，位于湖南省沅陵縣官莊鎮境內。近年來沃溪坑口2座千米深井先后投產，標志著該礦逐步進入深井開采階段。深井采礦面臨的主要問題是深部巨大的地壓［1-3］。在深部地壓的作用下，巷道變形更加嚴重，部分巷道在開挖后斷面規格快速縮小，許多開挖時間較長的巷道需要進行二次支護，原有支護工藝無法滿足深部開采的要求［4-5］。國內外諸多學者都針對深部支護做了相關研究，李利峰等［6］針對金川礦區深部巷道圍巖高地壓、破碎的特點，通過分析其變形特征引入錨桿+TECCO網的支護技術，解決金川礦區深部的支護難題；高明仕等［7］針對義馬礦區深部高地壓下圍巖破碎情況，采用多種支護方式組合的“內支—外卸”支護技術，有效維護了巷道圍巖穩定性，保證了深部采場正常生產；單仁亮等［8］采用數值模擬的方法對傳統聯合支護和錨桿（索）協同支護進行對比分析，證明了協同支護具備良好的支護效果；冷建民等［9］針對三山島金礦深部巷道圍巖破壞現象，改進傳統支護工藝并通過數值模擬的手段優選最佳支護參數，保證了巷道的穩定性。針對深部礦區地壓以及圍巖破壞特點，專家們或對原有支護進行優化改進，或提出新的聯合支護方式，或采用數值模擬的方法探討最優支護參數。

鑒于此，在沃溪深部礦區探索應用新的支護工藝［10］，逐步淘汰落后的工藝，提高支護質量，縮短作業時間，確保支護效果，盡量避免多次返修帶來的不利影響［11-12］，對促進沃溪坑口安全可持續發展具有重大意義。

1 支護現狀及存在的問題

1.1 平巷支護現狀

礦山平巷目前主要的支護方式有傳統木支護、速凝水泥藥卷配合普通螺紋鋼錨桿支護及金屬架支護。其中傳統的木支護已逐步淘汰，金屬架支護常用于局部巖石破碎、斷層發育的地質條件，水泥藥卷錨桿支護則主要應用于普通地質條件下的新掘進巷道。

1.2 存在問題

通過長期的施工現場調查，沃溪坑口支護工藝主要存在以下幾個問題。

（1）作業人員對平巷支護的重要性認識不足，難以把握支護最佳時機，經常在巷道頂板和兩幫問題突出的時候才施工水泥藥卷錨桿，達不到支護效果時再增加金屬架支護，巷道的支護工作比較被動和盲目。

（2）金屬架支護一般采用木頭接頂，導致金屬架至巷道頂板堆積大量的木頭，木材和鋼材消耗量大，支護成本高。

（3）使用年限較長的巷道，因支護無法適應巷道的大變形，經常需要返修，影響礦山的正常生產。

（4）金屬架支護和木支護使得巷道的可利用斷面大幅度減小，斷面利用率低，對井下大件運輸和通風產生不利影響。

（5）水泥藥卷的浸水操作比較困難，如果浸水時間過短，藥卷內部仍然干燥，無法產生作用；如果浸水時間過長，則藥卷過早凝結，使錨桿與鉆孔報廢。現場情況表明，確實有部分錨桿沒有達到要求，桿體沒有完全埋入巖體中。

（6）部分支護工藝老舊、不規范，特別是木支護，國內較多礦山都已經放棄這種支護方法。

2 新支護工藝設計與實踐

2.1 新支護工藝的提出

礦山深部支護主要特點在于巷道開挖后，高地應力使支護體系快速產生扭曲變形，同時帶來片幫、冒落以及巖爆等深部災害；此外，在高應力環境下巖性也有所改變，在淺部表現為脆性的巖石在深部則可能轉化為延性，適用于淺部的支護方式在深部無法滿足服務年限的要求。因此，應根據礦區深部實際情況，針對圍巖條件設計新的支護工藝。礦山井巷支護應滿足以下設計原則：①滿足相關法律規程要求；②符合井下實際生產情況；③工藝簡單、便于實踐推廣；④技術先進，節約成本；⑤淘汰落后的支護工藝。

根據上述設計原則，結合深部支護思路，采用聯合支護技術來面對不同的圍巖條件。在支護中通過鋼絲繩或者整體網，將錨桿連接形成支護整體，代替原有的單一錨桿支護，增強錨桿懸吊、組合梁等方面的作用效果。同時替換掉水泥藥卷錨桿，避免此類型錨桿操作時間難以把控的問題，提升施工效率。綜合以上條件，提出2種新支護工藝：鋼絲繩錨桿支護和整體錨網支護，并分別對這2種支護工藝進行井下工業試驗。

2.2 鋼絲繩錨桿支護

鋼絲繩錨桿支護屬于主動支護，可充分利用圍巖的自承能力，提高圍巖穩定性。鋼絲繩錨桿支護與木支護相比，延長了支護服務年限，減少了安全隱患；與金屬架支護相比，節約了成本，提高了效率。所以，采用鋼絲繩錨桿支護代替原有的木支護和金屬架支護，在深部礦區展開應用。

工藝流程：水泥藥卷錨桿在裝填即將完成時，將直徑8～10 mm的鋼絲繩纏繞在錨桿桿體上（一般纏繞一圈），卡入錨桿托盤和巖體之間預留的空間，然后沖擊錨桿桿體，使得托盤、鋼絲繩和巖體緊密結合，完成一根鋼絲繩錨桿的施工。

工程實踐表明，鋼絲繩錨桿主要適用于整體性較好、塊度較大的圍巖條件，通過鋼絲繩能夠有效地將可能冒落的圍巖連接形成整體，增加支護強度，提高支護質量（圖1）。在長期應用過程中，鋼絲繩錨桿逐漸暴露一些問題，首先是適用范圍受限制。沃溪坑口井下工程地質復雜多變，大部分區域圍巖整體性較差，典型紫紅色板巖圍巖塊度為50～300 mm，采用鋼絲繩錨桿支護時有大面積支護盲區存在，脫錨現象時有發生（圖2）。特別是當斷層面與鋼絲繩平行時，鋼絲繩難以發揮其應有的效果。由此可見，鋼絲繩錨桿支護適用范圍有限，適用于在深部圍巖整體性較好的區域使用。

2.3 整體錨網支護

根據沃溪坑口井下實際情況，提出用樹脂錨桿取代水泥錨桿，并配置錨網使其成為整體錨網支護，如圖3所示。該工藝強化了圍巖完整性，克服了鋼絲繩錨桿只適用于圍巖完整區域的限制，效果優良。該工藝推廣應用后，井下尚未發生一起冒頂片幫事故。

工藝流程：根據井下工程實際需要，加工或采購整體網、螺紋錨桿和管縫式錨桿、樹脂藥卷、錨桿推進器、螺旋支柱；用螺旋支柱將整體網貼緊巖面初次固定，按照從頂板中間至兩幫的順序依次施工樹脂螺紋錨桿，再次固定整體網；最后檢查整體錨網質量，在局部施工少量管縫式錨桿來進一步固定整體網，使其與巖面貼緊。

經過多次現場試驗和不斷改進，確定了適合于沃溪坑口的整體錨網支護參數，見表1。在整體錨網試驗過程中獲得一些寶貴經驗。

?

（1）因整體網緊跟作業面設置，直徑4 mm以下的鐵絲網在下一作業循環爆破后會嚴重損壞，所以選取直徑5 mm以上的鐵絲，經過強焊制作，能夠有效抵抗爆破損壞。

（2）整體網規格可根據實際需求加工，一般寬度為1.0～1.2 m，與錨桿的排距保持一致，便于整體網之間順利搭接。

（3）通過錨桿抗拔力測試，減小錨桿鉆孔直徑，并配置對應規格的樹脂藥卷，提高支護效率的同時，又能夠達到預期的錨桿抗拔力。沃溪坑口整體錨網支護現場試驗過程中，將原錨桿鉆孔直徑38 mm減小至28 mm，單孔（孔深1.65 m）鉆孔時間從4～5 min縮短至2～2.5 min，鉆孔效率提高近一倍。錨桿推進器代替人工裝填水泥藥卷，施工一根錨桿的時間由原來8～10 min減少至3～5 min，大幅度提高勞動效率，降低勞動強度。

（4）針對地質條件復雜的區域，采用整體錨網和長錨索聯合支護，能達到良好的效果。在沃溪坑口深部豎井井底車場破碎帶進行整體錨網和長錨索聯合支護，有效控制該區域地壓顯現，確保井底車場安全。

（5）針對永久工程，采用整體錨網支護后，可增加噴射混凝土層（圖4），或將整體錨網預先進行鍍鋅防腐處理（圖5），可大幅延長整體錨網支護壽命。

整體錨網支護工藝效率高，勞動強度小，支護效果好，2 a來井下已基本杜絕冒頂片幫事故，且單根錨桿配2根樹脂藥卷成本遠小于配置6～8根水泥藥卷，同時整體錨網可有效規范錨桿數量，避免錨桿布置過密，對比原有支護每年可節約大量錨桿及藥卷成本。

3 結論

（1）鋼絲繩錨桿主要適用于井下較大采空區、設備機房等圍巖整體性較好的情況，能夠承載較大地壓，成本較低，但不適用于圍巖破碎的地質條件。

（2）整體錨網支護適用面廣，但工藝略微復雜，整體錨網與長錨索、噴射混凝土聯合支護，能較好地滿足復雜地質條件及永久工程支護要求。

（3）整體錨網支護宜配置凝固速度較快的樹脂藥卷錨桿和管縫式錨桿，便于整體網緊貼巖面，管縫式錨桿一般作為臨時支護，樹脂藥卷錨桿作為永久支護。